Устройство для подготовки образца керна к определению трещиностойкости

Изобретение относится к горному делу, в частности к нефтегазодобывающей промышленности и касается устройств для подготовки керна с целью определения их трещиностойкости.

Известно устройство для разделения и фиксации керна при разборке керноотборного снаряда (патент RU №2516311, МПК Е21В 25/10, опубл. 20.05.2014 в бюл. №14), включающее верхнюю и нижнюю части, представляющие верхний и нижний обжимные хомуты соответственно, при этом верхний обжимной хомут состоит из звеньев, соединенных между собой шарнирно, и закрепляется на керноприемной трубе с помощью верхнего винта-стяжки и гайки, нижняя часть устройства выполнена в виде стягивающегося на поверхности керна нижним винтом-стяжкой и гайкой нижнего обжимного хомута, состоящего из имеющих спрофилированную внутреннюю поверхность звеньев, соединенных между собой шарнирно, на боковой поверхности которых выполнены отверстия с установленными в них винтами-керноломателями, причем нижний хомут соединен с верхним.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов деталей (обжимной хомут с рукоятками, винт-стяжка с гайкой, нож-отсекатель и т.д.);

- во-вторых, невозможно осуществить подготовку керна перед его испытанием на трещиностойкость, так как данное устройство не позволяет произвести разметку керна перед его распиловкой;

- в-третьих, невозможно снизить расход кернового материала при подготовке керна (большое количество кернового материала уходит в отходы);

- в-четвертых, низкое качество подготовки кернового материала к определению трещиностойкости, так как невозможно измерить высоту и угол распиленного керна, причем погрешность (отклонение от прямого угла 90°), полученная при распиле керна, может привести к ошибочным результатам при расчете значения трешиностойкости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для подготовки образца керна к определению трещиностойкости, включающее основание с установленным на нем устройством для размещения керна, измерительные шкалы (а.с. SU №1696944, МПК G01N 3/00, опубл. 07.12.1991 в бюл. №45). Основанием устройства служат ограничители с установленными на них опорами, выполненными в форме цилиндров, и являющимися основанием для размещения жестко выполненных концевых оправок. Измерительные шкалы выполнены съемными. Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность подготовительной настройки конструкции, обусловленная большим количеством деталей жестких концевых оправок;

- во-вторых, значительные затраты времени на подготовку к проведению испытания и на разборку установки по окончании испытания, так как каждый образец керна необходимо зафиксировать с двух сторон в концевых оправках, что снижает эксплуатационные качества устройства;

- в-третьих, низкое качество подготовки кернового материала к определению трещиностойкости, так как невозможно измерить высоту и угол распиленного керна, причем погрешность (отклонение от прямого угла 90°), полученная при распиле керна может привести к ошибочным результатам при расчете значения трещиностойкости;

- в-четвертых, жесткая фиксация концов керна в концевых оправках и установка их на опоры искажает результат простирания трещин, что снижает качество испытания.

Техническими задачами изобретения являются повышение эффективности и точности подготовки керна перед его испытанием на трещиностойкость за счет упрощения настройки устройства и снижения затрат времени на подготовку к испытанию, повышения качества подготовки кернового материала к определению трещиностойкости, повышения удобства в эксплуатации и сокращение времени подготовки керна к его испытанию, а также повышение эксплуатационных и технических качеств устройства.

Поставленные технические задачи решаются устройством для подготовки образца керна к определению трещиностойкости, включающее основание с установленным на нем устройством для размещения керна, измерительные шкалы.

Новым является то, что основание выполнено в форме прямоугольника с двумя продольными параллельными направляющими и оснащено линейкой, причем направляющие выполнены прямоугольной формы, устройство для размещения керна выполнено в виде неподвижной опоры, которая жестко закреплена с одного торца основания, и подвижной опоры, причем подвижная опора установлена в продольные направляющие с возможностью перемещения вдоль основания, при этом основание снизу снабжено двумя неодимовыми магнитами, на основании выполнен продольный паз, в который вставлен угольник с измерительными шкалами и выполнен с возможностью перемещения по длине основания.

На фиг. 1, 2 и 3 схематично изображено предлагаемое устройство.

Устройство для подготовки образца керна к определению трещиностойкости включает неподвижную 1 (фиг. 1) и подвижную 2 опоры, основание 3.

Основание 3 выполнено в форме прямоугольника с двумя продольными параллельными направляющими 4 и 5, выполненными прямоугольной формы. Основание 3 оснащено линейкой 6' и угольником 6'' (фиг. 1 и 3).

Неподвижная опора 1 (см. фиг. 1) закреплена жестко с одного торца основания 3, например, с помощью резьбового соединения (на фиг. 1-3 не показано). Подвижная опора 2 (фиг. 1) установлена в продольные направляющие 4 и 5. Подвижная опора 2 снизу оснащена поверхностью 7 (фиг. 1-2), взаимодействующей с основанием 3. Также основание 3 снизу снабжено неодимовыми магнитами 8' и 8'' для фиксации подвижной опоры 2 поверхностью 7 к основанию 3 на расстоянии - L от неподвижной опоры 1.

Основание 3 под линейкой снабжено продольным пазом 9, в который вставлен угольник 6'' с возможностью размещения, фиксации и перемещения наружным выступом 10 по длине основания. Угольник 6'' оснащен транспортиром 11 и дополнительной линейкой 12.

Устройство работает следующим образом.

Для подготовки образца керна 13 к определению трещиностойкости неподвижную опору 1 (фиг. 1 и 3) верхней части устройства жестко с помощью резьбового соединения крепят на основании 3 нижней части устройства.

Далее в основание 3 нижней части устройства в продольные направляющие 4 и 5 устанавливают подвижную опору 2 верхней части устройства. Перемещают подвижную опору 2 поверхностью 7 относительно основания 3 на расстояние L от неподвижной опоры 1.

Расстояние L определяют по формуле:

где L - расстояние между неподвижной 1 и подвижной 2 опорами, мм;

S - расстояние от неподвижной 1 и подвижной 2 опор до места распила 14 образца керна 13, мм.

Неподвижная 1 и подвижная 2 опоры должны располагаться на одинаковом расстоянии S от места распила 14 образца керна 13, и должно выполняться условие:

где, R - радиус образца керна, мм.

Примем толщину образца керна: t=30 мм, радиус образца керна: R=34 мм, а расстояние от неподвижной 1 и подвижной 2 опор до места пропила 14 образца керна:

S=20 мм.

Для правильной установки подвижной опоры 2 используется линейка 6' на основании 3.

Образец керна 13 располагают на неподвижной 1 и подвижной 2 опорах. Риска 15 на неподвижной опоре 1 установлена на нулевой отметке линейки 6', по риске 16 на подвижной опоре 2 устанавливаем отметку L=40 мм образец керна 13. Далее в продольный паз 9 основания 3 вставляется наружным выступом 10 угольник 6'', оснащенный транспортиром 11 и дополнительной линейкой 12 и риской 17. Угольник 6'' располагается по риске 17 на расстоянии S=20 мм от нулевой отметки по линейке 6 на основании 3, согласно формулы 1:

L=2⋅S=2⋅20 мм=40 мм.

Собранная оснастка вместе с образцом керна 13, толщиной t=30 мм, размещается на основании пресса (на фиг. 1-3 не показан) так, чтобы место распила 14 образца керна 13 располагалось на одинаковом расстоянии S от неподвижной 1 и подвижной 2 опор.

По транспортиру 11 угольника 6'' определяем угол отклонения распила 14 образца керна 13, например, угол составляет 89,5° (на фиг. 1-3 не показано) относительно основания 3 (фиг. 3), а по дополнительной линейке 12 угольника 6'' определяем высоту h распила 14 образца керна 13, например, h=15 мм, а после замера угольник 6' вынимается из основания 3.

Наличие линейки 6' и угольника 6'' с транспортиром 11 и дополнительной линейкой 12 позволяет определить высоту распила 14 и отклонение угла распила 14. При отклонении угла распила от 90° на заданной высоте (h=15 мм) более чем в 1° образец керна 13 отбраковывается и не устанавливается под пресс, так как это может привести к ошибочным результатам при расчете значения трещиностойкости. При отклонении угла распила 14 от 90° на заданной высоте (h=15 мм) менее чем в 1° образец керна 13 устанавливается под пресс.

Далее керн нагружают с помощью пресса до его разрушения, при этом фиксируют нагрузку Р, при которой произошло разрушение керна, например, Р=2000 Н.

После проведения испытания производится расчет значения трещиностойкости образца 1 по известным методикам, например, предложенной в работе «Fracture testing of a soft rock with semi-circular specimens under three-point loading» (I.L. Lim, I.W. Johnston, S.K. Choi, J.N. Boland, Fracture testing of a soft rock with semi-circular specimens under three-point loading, Part 1 - Mode I. Int J Rock Mech Min Sci, Vol. 31, 1994, pp. 185-97):

где K_IC - значение трещиностойкости образца, МПа⋅м^1/2.

P_f - нагрузка при которой произошло разрушение образца 10, Н;

π - 3,14;

h - высота пропила 11, м;

Y_I - безразмерный фактор интенсивности напряжений;

α - безразмерный геометрический коэффициент;

R - радиус образца, м;

t - толщина образца, м;

S - расстояние от пропила 11 до одной из опор 1 или 2, м.

Подставляя числовые значения в формулы (5, 4, 3), получим:

Таким образом, по результатам проведения испытания на образце 1 было определено значение его трещиностойкости: K_IC=0,85 МПа⋅м^1/2.

Устройство для подготовки образца керна к определению трещиностойкости имеет простую конструкцию, так как из конструкции исключены сложные в изготовлении узлы и детали, что позволят удешевить себестоимость изготовления устройства, а также снизить металлоемкость и вес без потери эффективности работы устройства.

Устройство позволяет осуществить подготовку керна перед его испытанием на трещиностойкость, а именно - произвести разметку керна перед его распиловкой, что имеет первостепенное значение для получения точного значения нагрузки до его разрушения.

При проведении испытаний с помощью данного устройства используется образец керна 13 полуцилиндрической формы, что позволяет снизить расход кернового материала при подготовке керна.

Применение данного устройства повышает качество подготовки кернового материала к определению трещиностойкости, так как после распиловки образца керна оно позволяет измерить высоту и угол распиленного керна, и по результатам измерений отбраковывать образцы керна, превышающие допустимую погрешность, которая может привести к ошибочным результатам при расчете значения трещиностойкости.

Устройство для подготовки образца керна к определению трещиностойкости имеет простую конструкцию и позволяет:

- осуществить подготовку керна перед его испытанием на трещиностойкость;

- снизить расход кернового материала при подготовке керна;

- повысить качество подготовки кернового материала к определению трещиностойкости.

Устройство обеспечивает повышение эффективности и точности подготовки керна перед его испытанием на трещиностойкость за счет упрощения настройки устройства и снижения затрат времени на подготовку к испытанию, повышения качества подготовки кернового материала к определению трещиностойкости, повышения удобства в эксплуатации и сокращение времени подготовки керна к его испытанию, а также повышение эксплуатационных и технических качеств устройства.